| |
|
Modelling, parameter estimation, optimisation and control of transport and reaction processes in bioreactors.
ŠTUMBAUER, Václav
With the significant potential of microalgae as a major biofuel source of the future, a considerable scientific attention is attracted towards the field of biotechnology and bioprocess engineering. Nevertheless the current photobioreactor (PBR) design methods are still too empirical. With this work I would like to promote the idea of designing a production system, such as a PBR, completely \emph{in silico}, thus allowing for the in silico optimization and optimal control determination. The thesis deals with the PBR modeling and simulation. It addresses two crucial issues in the current state-of-the-art PBR modeling. The first issue relevant to the deficiency of the currently available models - the incorrect or insufficient treatment of either the transport process modeling, the reaction modeling or the coupling between these two models. A correct treatment of both the transport and the reaction phenomena is proposed in the thesis - in the form of a unified modeling framework consisting of three interconnected parts - (i) the state system, (ii) the fluid-dynamic model and (iii) optimal control determination. The proposed model structure allows prediction of the PBR performance with respect to the modelled PBR size, geometry, operating conditions or a particular microalgae strain. The proposed unified modeling approach is applied to the case of the Couette-Taylor photobioreactor (CTBR) where it is used for the optimal control solution. The PBR represents a complex multiscale problem and especially in the case of the production scale systems, the associated computational costs are paramount. This is the second crucial issue addressed in the thesis. With respect to the computational complexity, the fluid dynamics simulation is the most costly part of the PBR simulation. To model the fluid flow with the classical CFD (Computational Fluid Dynamics) methods inside a production scale PBR leads to an enormous grid size. This usually requires a parallel implementation of the solver but in the parallelization of the classical methods lies another relevant issue - that of the amount of data the individual nodes must interchange with each other. The thesis addresses the performance relevant issues by proposing and evaluation alternative approaches to the fluid flow simulation. These approaches are more suitable to the parallel implementation than the classical methods because of their rather local character in comparison to the classical methods - namely the Lattice Boltzmann Method (LBM) for fluid flow, which is the primary focus of the thesis in this regard and alternatively also the discrete random walk based method (DRW). As the outcome of the thesis I have developed and validated a new Lagrangian general modeling approach to the transport and reaction processes in PBR - a framework based on the Lattice Boltzmann method (LBM) and the model of the Photosynthetic Factory (PSF) that models correctly the transport and reaction processes and their coupling. Further I have implemented a software prototype based on the proposed modeling approach and validated this prototype on the case of the Coutte-Taylor PBR. I have also demonstrated that the modeling approach has a significant potential from the computational costs point of view by implementing and validating the software prototype on the parallel architecture of CUDA (Compute Unified Device Architecture). The current parallel implementation is approximately 20 times faster than the unparallized one and decreases thus significantly the iteration cycle of the PBR design process.
|
|
Neural Networks Between Integer and Rational Weights
Šíma, Jiří
The analysis of the computational power of neural networks with the weight parameters between integer and rational numbers is refined. We study an intermediate model of binary-state neural networks with integer weights, corresponding to finite automata, which is extended with an extra analog unit with rational weights, as already two additional analog units allow for Turing universality. We characterize the languages that are accepted by this model in terms of so-called cut languages which are combined in a certain way by usual string operations. We employ this characterization for proving that the languages accepted by neural networks with an analog unit are context-sensitive and we present an explicit example of such non-context-free languages. In addition, we formulate a sufficient condition when these networks accept only regular languages in terms of quasi-periodicity of parameters derived from their weights.
Plný tet: v1237-16 -  PDF
Plný text: content.csg - PDF
|
|
Dendrochronologie arktické tundry
Lehejček, Jiří ; Svoboda, Miroslav (vedoucí práce) ; Monika, Monika (oponent)
Historicky bezprecedentní environmentální změny arktických ekosystémů jsou často zasazovány do kontextu jejich vývoje; minulého, ale i očekávaného budoucího. V oblastech s nedostatečnými instrumentálními meteorologickými pozorováními je nutné studovat klimatické archivy, které jsou schopny zasadit probíhající environmentální změny do kontextu minulosti. Práce předkládá syntézu jednoho takového archivu jalovce obecného (Juniperus communis) dlouhověkého cirkumpolárního keře arktické tundry. Na úrovni anatomie buňky bylo prozkoumáno 20 keřů. Kromě ekologických nároků druhu se tím odkryl i jeho potenciál pro environmentální a klimatické rekonstrukce. Mezi klíčové výsledky patří následující:
i) Zastavení exponenciálního zvětšování plochy vodivého aparátu s věkem je v rozporu s přirozeným charakterem tohoto fenoménu u stromů. To naznačuje, že keře nepotřebují zajišťovat potřeby vody a živin klasickými cestami zákonů hydraulické konduktivity ale spíše pomocí jiných mechanismů. Extrémní podmínky tedy limitují výškový vzrůst rostlin, které kvůli nim mění převládající směr svého růstu z vertikálního na horizontální. Jednotlivé projevy počasí však na vzrůst působí pravděpodobně odlišně. Zatímco sníh a vítr ovlivňují růst kmene/větví mechanicky, pak teplota spíše fyziologicky. Až do věku, kdy je mladý keř schopen ustát silný vítr ve vzpřímené pozici a jeho kmínek/větve mají dostatečnou resilienci se po odtání sněhové pokrývky opět narovnat, roste vzhůru a plocha vodivého aparátu se zvětšuje. Současně s tím teplota, resp. cykly opakovaného mrznutí a rozmrzání, způsobuje konzervativní vývoj keře, který preferuje bezpečnost (limitní velikost plochy vodivého aparátu) před hydraulickou efektivitou, čímž se brání embólii, ale tím i dalšímu výškovému růstu. Všechny tyto (ale i další) faktory jsou zřejmě dohromady zodpovědné za postupný přechod od vertikálního ke kvazihorizontálnímu růstu. Od této chvíle již není potřeba (ani to není fyziologicky možné) dále zvětšovat plochu vodivého aparátu, jelikož voda přestává být transportována proti gravitaci.
ii) Tento věkový/růstový trend je nutné uvažovat při dalším využívání růstových parametrů v paleoenvironmentálních studiích. Buněčné parametry by tedy neměly být využívány k těmto účelům, pokud nejsou správně detrendovány. To umožní nejen přesnější ale i delší rekonstrukce, protože je možné využít celý život rostlin včetně často opomíjené juvenilní fáze.
iii) Předložena je i rekonstrukce tání jihozápadní části Grónského ledovcového štítu (GrIS) během 20. st. Tato oblast je považována v rámci celého GrIS za nejaktivnější. Dle naší rekonstrukce není míra současného tání GrIS v kontextu 20. st. neobvyklá, resp. je srovnatelná s prvními dekádami 20. st. Tento poznatek je významným přispěním do debaty o Atlantické meridionální zpětné cirkulaci (AMOC). A sice, příliš velký přítok sladké studené vody do severního Atlantiku v důsledku tání GrIS může zpomalit nebo dokonce zastavit AMOC, což by způsobilo prohloubení kontinentálního charakteru evropského klimatu. Naše výsledky tak ukazují, že tato hranice leží výše, než je současná míra tání GrIS.
Jalovec obecný je fascinující arktický keř, který prokázal schopnost zodpovědět množství ekologický a environmentálních otázek. Především díky své dlouhověkosti a četnosti má obrovský potenciál stát se významných účastníkem arktického výzkumu.
|
|
New Methods for Increasing Efficiency and Speed of Functional Verification
Zachariášová, Marcela ; Dohnal, Jan (oponent) ; Steininger, Andreas (oponent) ; Kotásek, Zdeněk (vedoucí práce)
In the development of current hardware systems, e.g. embedded systems or computer hardware, new ways how to increase their reliability are highly investigated. One way how to tackle the issue of reliability is to increase the efficiency and the speed of verification processes that are performed in the early phases of the design cycle. In this Ph.D. thesis, the attention is focused on the verification approach called functional verification. Several challenges and problems connected with the efficiency and the speed of functional verification are identified and reflected in the goals of the Ph.D. thesis. The first goal focuses on the reduction of the simulation runtime when verifying complex hardware systems. The reason is that the simulation of inherently parallel hardware systems is very slow in comparison to the speed of real hardware. The optimization technique is proposed that moves the verified system into the FPGA acceleration board while the rest of the verification environment runs in simulation. By this single move, the simulation overhead can be significantly reduced. The second goal deals with manually written verification environments which represent a huge bottleneck in the verification productivity. However, it is not reasonable, because almost all verification environments have the same structure as they utilize libraries of basic components from the standard verification methodologies. They are only adjusted to the system that is verified. Therefore, the second optimization technique takes the high-level specification of the system and then automatically generates a comprehensive verification environment for this system. The third goal elaborates how the completeness of the verification process can be achieved using the intelligent automation. The completeness is measured by different coverage metrics and the verification is usually ended when a satisfying level of coverage is achieved. Therefore, the third optimization technique drives generation of input stimuli in order to activate multiple coverage points in the veri\-fied system and to enhance the overall coverage rate. As the main optimization tool the genetic algorithm is used, which is adopted for the functional verification purposes and its parameters are well-tuned for this domain. It is running in the background of the verification process, it analyses the coverage and it dynamically changes constraints of the stimuli generator. Constraints are represented by the probabilities using which particular values from the input domain are selected. The fourth goal discusses the re-usability of verification stimuli for regression testing and how these stimuli can be further optimized in order to speed-up the testing. It is quite common in verification that until a satisfying level of coverage is achieved, many redundant stimuli are evaluated as they are produced by pseudo-random generators. However, when creating optimal regression suites, redundancy is not needed anymore and can be removed. At the same time, it is important to retain the same level of coverage in order to check all the key properties of the system. The fourth optimization technique is also based on the genetic algorithm, but it is not integrated into the verification process but works offline after the verification is ended. It removes the redundancy from the original suite of stimuli very fast and effectively so the resulting verification runtime of the regression suite is significantly improved.
|
|
Optimization of Gaussian Mixture Subspace Models and Related Scoring Algorithms in Speaker Verification
Glembek, Ondřej ; Brummer, Niko (oponent) ; Campbell,, William (oponent) ; Burget, Lukáš (vedoucí práce)
This thesis deals with Gaussian Mixture Subspace Modeling in automatic speaker recognition. The thesis consists of three parts. In the first part, Joint Factor Analysis (JFA) scoring methods are studied. The methods differ mainly in how they deal with the channel of the tested utterance. The general JFA likelihood function is investigated and the methods are compared both in terms of accuracy and speed. It was found that linear approximation of the log-likelihood function gives comparable results to the full log-likelihood evaluation while simplyfing the formula and dramatically reducing the computation speed. In the second part, i-vector extraction is studied and two simplification methods are proposed. The motivation for this part was to allow for using the state-of-the-art technique on small scale devices and to setup a simple discriminative-training system. It is shown that, for long utterances, while sacrificing the accuracy, we can get very fast and compact i-vector systems. On a short-utterance(5-second) task, the results of the simplified systems are comparable to the full i-vector extraction. The third part deals with discriminative training in automatic speaker recognition. Previous work in the field is summarized and---based on the knowledge from the earlier chapters of this work---discriminative training of the i-vector extractor parameters is proposed. It is shown that discriminative re-training of the i-vector extractor can improve the system if the initial estimation is computed using the generative approach.
|
|
Analysis and Testing of Concurrent Programs
Letko, Zdeněk ; Lourenco, Joao (oponent) ; Sekanina, Lukáš (oponent) ; Vojnar, Tomáš (vedoucí práce)
The thesis starts by providing a taxonomy of concurrency-related errors and an overview of their dynamic detection. Then, concurrency coverage metrics which measure how well the synchronisation and concurrency-related behaviour of tested programs has been examined are proposed together with a~methodology for deriving such metrics. The proposed metrics are especially suitable for saturation-based and search-based testing. Next, a novel coverage-based noise injection techniques that maximise the number of interleavings witnessed during testing are proposed. A comparison of various existing noise injection heuristics and the newly proposed heuristics on a set of benchmarks is provided, showing that the proposed techniques win over the existing ones in some cases. Finally, a novel use of stochastic optimisation algorithms in the area of concurrency testing is proposed in the form of their application for finding suitable combinations of values of the many parameters of tests and the noise injection techniques. The approach has been implemented in a prototype way and tested on a set of benchmark programs, showing its potential to significantly improve the testing process.
|
|
Point to Line Mappings and Other Line Parameterizations not only for Hough Transform
Havel, Jiří ; Kälviäinen, Heikki (oponent) ; Lefevre, Sebastien (oponent) ; Herout, Adam (vedoucí práce)
This works focuses on the Hough transform (HT). The HT is mostly used for the detection of lines or curves, but was also generalized for detection of arbitrary shapes. The main theme of this work are line parameterizations, especially the Point-to-Line mappings. These parameterizations share the property, that a point in the image maps onto a line in the parameter space. This work presents proofs of some properties of PTLMs, notably the existence of a practical pair of PTLMs for line detection and the effect of a convolution in the image space on the contents of the parameter space. Two realtime implementations of HT are presented in this work. Both accelerate HT using graphical hardware. One uses GPGPU API CUDA and the other the rendering API OpenGL. As an application of the line detection, this work describes part of the detection of checkerboard marker usable for the augmented reality.
|
|
Optické měření elektromechanických projevů srdečních buněk
Čmiel, Vratislav ; Križanová,, Olga (oponent) ; Babula, Petr (oponent) ; Provazník, Ivo (vedoucí práce)
Disertační práce se zabývá aplikací optických metod měření s využitím technik optické mikroskopie a fluorescenční mikroskopie při měření elektromechanických projevů izolovaných srdečních buněk a shluků diferencovaných kardiomyocytů. První navržená metoda využívá účelné kombinace fluorescenční mikroskopie s využitím rychlé fluorescenční kamery s vysokým rozlišením a mikroskopie atomárních sil pro současné měření vápníkových transientů a kontrakce shluků srdečních buněk. Získané signály prochází filtrací, zpracováním a analýzou. Výsledně získané funkční parametry kardiomyocytů získané analýzou signálů po aplikaci kofeinu jsou hodnoceny srovnáním s funkčními parametry získanými při kontrolním měření. Druhá navržená metoda je aplikována na shluky kardiomyocytů za účelem měření jejich kontrakce. Signály získané optickou metodou jsou analyzovány a výsledky porovnány s referenčním signálem získaným měřením s pomocí mikroskopie atomárních sil. Pro spolehlivější a stabilnější měření kontrakce v experimentech zaměřených na současné měření s vápníkovými transienty u izolovaných kardiomyocytů byly navrženy a realizovány optické metody měření kontrakce založené na detekci konců s využitím úpravy mikroskopického obrazu přeostřením a s využitím fluorescenční metody měření.
|
|
Nástroj pro hodnocení konektivity krajiny v různých prostorových jednotkách a disperzních vzdálenostech
Chrumko, Adam ; Šímová, Petra (vedoucí práce) ; Krčílková, Šárka (oponent)
V práci je představen základní přehled výpočtů konektivity krajiny, podrobněji pak výpočty pomocí programu Conefor a vliv vstupních parametrů na výsledné indexy konektivity krajiny. Jedním z hlavních cílů je vytvoření nástrojů do programu ArcMap pro zjednodušení výpočtů indexů konektivity krajiny pro velké množství zájmových území. Jako hlavní zájmové území byly vybrány základní kvadráty pokrývající celé území České republiky, tyto jednotky se používají například pro mapování výskytu rostlin a živočichů. Pro srovnání vlivu velikosti zájmového území byly vypočteny stejné indexy také pro okresy (LAU1) a kraje (NUTS3) České republiky. Práce přináší jednoduché řešení v podobě Python Toolboxu do programu Esri ArcMap pro výpočet indexů konektivity krajiny pomocí programu Conefor pro velký počet vstupních území. Za pomoci tohoto Toolboxu byla vypočtena konektivita lesů pro různé disperzní vzdálenosti a vstupní plošné jednotky. Vstupní vrstvy lesů byly vzaty z vektorových dat CORINE land cover v mapovacích obdobích 1990, 2000, 2006 a 2012. Vstupní disperzní vzdálenosti byly vybrány v rozsahu od 50 do 50 000 m pro komplexní popsání jejich vlivu na výsledné indexy. Výsledné změny lesů a konektivity krajiny jsou reprezentovány pomocí kartogramů, vliv vstupních dat na výsledné indexy je zobrazen pomocí grafů.
|
host ::
